V2X及高精定位技术在试验场管理中的应用研究

张迪思 祖晖 陈新海 王博思

摘 要：为了提高试验场的安全性以及管理水平，对试验场的基础设施进行智能化改造，引入路侧设备、定位差分系统以及搭载高精定位技术及车路协同技术的车载终端，实现路径规划、轨迹复现、场地编排、出入场精确控制等功能，降低事故的发生几率并提高了试验场运行效率。

关键词：试验场；高精定位；车载终端；路侧单元；轨迹复现

中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）10-0014-04

Abstract： In order to improve the safety and management level of the test ground， the infrastructure of the test ground is reformed intelligently， and the road side unit （RSU）， positioning differential system and the onboard terminal with high precision positioning technology and vehicle-road cooperative technology are introduced， for the purpose of realizing the functions of path planning， track reappearance， site layout， accurate control of exit admission， etc.， which can reduce the probability of accidents and improve the running efficiency of the test ground.

Keywords： test ground； high precision positioning； onboard terminal； roadside unit （RSU）； track reappearance

引言

中国的汽车产业已成为国民经济的战略性、支柱性产业。本世纪以来，我国汽车产业快速发展，产业规模稳居世界第一。相应的汽车厂商数量从最初的几家发展到如今的几十上百家。市面上在售的型号也从当初的寥寥几款变为现在的百花齐放。2017年，中国汽车产销量分别为2901.5万辆和2887.9万辆，产销量的稳步增长带来了巨大的准入检测需求，其每款车在出厂之前要通过工信部公告、认监委3C、交通部油耗、环保部目录等法律法规的审查，进行多达百余项项目的检测，才能上市与消费者见面；除上述的法规试验之外，还有主机厂、配件厂开展的研发型试验，这些因素必然导致大量的场地需求。据统计，2013-2017年，车辆检测需求呈逐年递增的局势，而试验场数量和测试能力却增长缓慢，导致各试验场的能力均处于超负荷状态。

同时，各试验场在试验场管理人员的配备上也显得短缺，管理人员在接待试验车和试验人员的同时，还要关注监控器，使用对讲机指挥车辆人员出入场，并对可能发生的危险情况进行预警。高强度长时间的重复性劳动必定会给从业人员的生理和心理带来不利影响。随着时间的推移，试验场管理人员均出现不同程度的职业倦怠、消极、烦躁等情绪，随之而来的是错误率增加，客户体验下降，直接影响试验场的安全生产和服务品质。

此外，试验场宝贵的场地资源并没有得到最大限度的利用。仅依靠人工进行试验车辆的编排工作存在一定的难度。例如，无法在短时间内将不具备互斥性的车辆试验安排在同一个场地，同时避免有互斥性的车辆安排在同一个场地。

随着国家对高精定位技术和V2X车路协同技术的发展，引入该技术的试验场管理方案，将提升试验场管理水平、降低事故发生几率，为试验场的平稳运行提供技术支撑。

1 国内外研究概况

1.1 国外研究发展概况

随着世界汽车工业的发展，世界各国的汽车试验场数量处于高速增长的状态。据统计，目前已有一百多个不同类型的汽车试验场分布在美国、欧洲、日本、中国等地。如美国的罗米欧（Romeo）、米尔费德（Milford）、研究中心试验场（TRC）、英国的米拉（MIRA）、米尔布鲁克（Millbrook）、西班牙的 IDIADA、匈牙利的 RABA、德国的 Ehra-Lessien、日本汽研所试车场（JARI）、日本丰田公司士别（Sbietesu）等都是世界著名的汽车试验场。

国外试验场在试验车辆的安全监控方面有较为完善的制度。西班牙IDIADA要求进场的试验车辆配备天线及对讲机，并在每个路口都安装了微波雷达感应器。控制台可以方便的通过对讲机和试验人员沟通，发出調度指令[1]。当车辆进入某一试验区域时，道路入口安装的感应器，通过车辆安装的天线，能够感应到车辆的驶入，并同时传送到塔台的信息记录系统。信息记录系统是为了方便对该车辆进行即时监测和事后追溯。同时在塔台的视线死角还安装有摄像头，方便场地管理人员全面、及时地掌握场地状况。而意大利NTC试验场则能通过车载单元获取车辆的相关信息，如胎压、发动机转速、车速、方向角等，并将这些信息通过无线信号传送到控制塔，便于控制塔统筹指挥。

国外试验场采用了一定数量的新手段和新设备用于管理，但是依然离不开对讲机、人工视频监视等传统方法，试验场面临的安全、效率等问题未能得到本质上的解决。

1.2 国内研究发展情况

我国对试验场智能化管理的推进相对落后，智能化程度不高，对管理人员的依赖程度较高，存在安全隐患突出、服务质量较差、运行效率低下等问题。

2017年1月3日，北京某试验场发生两车相撞事故，一辆皮卡车和一辆SUV同时在长直线性能路进行操纵稳定性试验，由于当时双方车速较快且驾驶员对危险预判不足，造成了两车相撞的事故。整个过程中，双方试验车辆没有得到任何的预警提示，事故后也没有完整的轨迹复现用于分析。这次事故的发生给了试验场管理者一个深刻的启示，如何在如今高频率高强度高速度的试验条件下，通过电子化智能化的手段进一步规范管理，而不仅仅是完全依靠有限的人力。

试验的安全和效率一直是永恒的话题，国内试验场管理者也逐渐认识到其重要性[2]，越来越多的试验场引进了新的管理手段，主要体现在以下几个方面：

（1）引入完善的预约系统：通过登录网站或者微信的方式即可便捷的录入和查询测试信息，提前进行预约。

（2）场内测试管理：记录客户车辆从登记入场、进行道路试验至车辆出场的全过程，进行跟踪管理，全面掌握每次测试的所有信息。

（3）路面维护智能预警。研究道路耐久模型，将道路的使用频率、测试内容、测试强度等因素纳入计算公式，预测未来路面的受损情况，评估路面的耐久度，根据获得的数据，依据一套科学的流程进行路面维护计划。

（4）智能化安全管理系统。配合道闸、地感、车载感应装置等设备，系统可以在场地内某些节点获取试验车辆的位置，当进入高位路段时，系统可以发送信号，通过车载单元对车辆进行预警。如果事故已发生，系统可以根据事故发生时间，提供场内的视频记录，最大限度对事故分析提供帮助。

（5）可靠的信息数据服务。测试车辆的试验数据都是各家主机场的机密，各试验场在保障数据安全方面也进行了一定的研究。为保障电子化的数据不被非授权的人员获取，测试数据在传输、保存的过程中都通过特定算法进行加密，只有合法授权人员才能访问，保障其实时性、安全性和保密性[3]。

目前，国内的试验场管理方法研究仍然是偏重于采用传统技术，基本上脱离了纸质流程，但其实时性和安全性都有待提高，尤其是对安全风险的预警方面，目前还没有一套有效成熟的方式。随着高精地图、高精定位、DSRC、4G等技术的逐渐成熟，基于新技术的试验场智能化系统将走上舞台，将逐步实现车道级监控、实时预警、自动调度等功能，这将带来一个更安全、更高效的试验场。

2 当前试验场存在的普遍问题

目前，各试验场主要采用“人工录入+视频对讲”叠加的粗放管理方式，随着检测业务量的增加，该管理方式主要弊端将逐渐显现，主要体现在以下几个方面：

安全隐患突出。试验场的功能区域未完全划分，部分区域存在交叉的情况，并且缺少有效机制对场地中的车辆进行管控。因此无法对可能发生的潜在危险进行预警，无法对试验车辆的运行轨迹进行复现和追踪，在事故预防和事后追责上存在较大的功能缺失。

管理粗放。试验场管理人员工作强度较大，人工管理效率相对较低，没有针对出入场形成严格的管控秩序，车辆乱停乱放现象嚴重，出现小车占大车位的情况，使本来就紧张的停车场资源雪上加霜。

运行效率低下。由于测试车辆种类、测试业务繁多，且对应不同的测试区域，仅靠人工进行业务编排，很难根据试验特性安排场地以最大限度的利用试验场容量。

3 试验场管理的功能需求

试验场管理的首要目标是保障安全，包括人身安全和车辆的安全，尤其是应避免碰撞危险。一旦发生事故，不仅会导致人身和财物损失，而且可能会影响试验场的资质，给试验场造成更大的损失。其次是提高效率，尤其是在保障安全的前提下，尽可能的实现场地复用，提高试验场的场地使用率。最后，通过系统的信息化升级，避免客户录入重复信息，提供方便快捷的预约方式，提升客户的服务体验。从粗略的原始需求，可以引申出以下功能需求：

（1）地图监控：管理人员可以通过管理中心的屏幕总览试验场整体情况，将试验场中所有车辆的当前位置和运动轨迹以图形化的方式展示在地图上。

（2）车辆状态观测：管理人员可以观察指定车辆的状态，例如该车辆的生产厂家、型号、唯一编号、进场时间、检测项目、委托单位、所用的道路范围、车载单元工作温度、车载电源电池剩余量等等。

（3）实时调度：管理人员可以通过语音、界面操作等方式，通知试验场中的车辆进行进出场、暂停试验、避让车辆等操作。场地中的试验人员可以通过车载设备获知管理人员的调度信息。

（4）轨迹回放：系统可以保存车辆的路径信息，管理人员可以查看车辆的历史行驶路径，为车辆费用计算或者事故后分析提供可靠的依据。

（5）车道级预警：高精定位可以实现车辆的厘米级定位，可以精确的在车辆驶出电子围栏时给予报警，并且实现对向来车预警、交叉路口碰撞预警等预警功能，在提高效率的同时进一步保障安全。

（6）场地预定：客户可以通过手机端或者电脑端进行场地预定，在预定场地的同时需要填写厂家、车辆型号、测试项目、进场时间、试验时长等。

（7）场地编排：根据当前各车辆的试验类型、测试道路、测试时长，系统根据容斥情况给予进场时间建议，在保证安全的情况下最大限度的提高道路使用率。

（8）统计分析：提供多维度、图形化的统计分析工具，例如，可以清晰的展示出特定时间段内所有测试车辆的数量，各测试项目所占比，平均试验时长，场地利用率等等。

4 方案采用的主要技术

4.1 V2X技术

V2X又细分为V2V、V2I、V2P等技术，均采用Ad hoc网络模式运行，能够快速的自动组网，并能够无缝的执行网络切换，符合处于运动中的车辆的运动特征。车辆搭载V2X车载模块后，可以通过与路侧单元和其他车载模块的信息交换，获取其他车辆速度、位置、行驶方向，以及道路情况等信息。基于这些基础信息，可以实现路径和车车预警等应用[4]。

当前主流的V2X模式有两种，分别是欧美主导的802.11p，以及华为、大唐等公司在3GPP中提出的LTE-V[5]。前者由IEEE于2010年结项，主要应用于美国和欧盟地区，其主要知识产权掌握在欧美发达国家手中；后者由华为和大唐公司在3GPP中提出，我国掌握LTE-V中的重要知识产权。由工信部委托的《LTE-V2X频率与兼容性验证研究项目》已对LTE-V当前的性能做了全面的测试。根据其发布的测试结论，在5905Mhz-5925Mhz工作频率下，LTE-V信号在一定条件下可以和固定卫星信号、WIFI信号等实现共存，其性能测试结果如表1。

而基于WIFI技术的802.11p的覆盖范围，经测试也在700m左右，且时延在10ms之内。因此，无论是802.11p技术，还是LTE-V技术，都可以满足试验场管理和和车辆预警的要求。保守估计，在半径三百米的区域内架设一个路侧单元RSU，即可满足全場信号覆盖的要求。

4.2 高精地图

与普通电子地图相比，高精地图拥更高的绝对坐标精度[6]；还拥有更丰富和细致的交通信息元素，可以准确的描述道路具体形状、车道的数量、车道线的种类、颜色，以及每个车道的坡度、曲率、航向、高层、侧倾等信息，甚至可以包含道路沿线的看板、限速标志牌、电话亭、红绿灯位置等元素[7]。

试验场的精细化管理，需要高精地图的支持，提供更准确的定位。车辆可以通过高精地图获取更精确的位置，获取更多的道路细节，来预防可能发生的危险情况，例如，判断车道内的静止车辆、弯道的慢行车辆、变道超车的车辆等等。

4.3 高精定位（差分定位）

传统的定位技术已广泛运用在车辆导航等方面，定位的精度可以达到3米左右[8]。然而这样的定位精度无法满足车道级定位的需求，需要借助差分定位技术，即设置一个地面差分定位基站。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这数据收集至服务器，并通过路侧单元或者4G等方式分发给各车辆的车载终端。车载终端在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。借助高精定位技术，可以使车辆实现车道级定位，给试验场管理人员提供更清晰明确的车辆位置信息，同时也能在此基础上引申出轨迹复现、路径规划等应用。

5 系统架构

管理系统由路侧单元组、车载单元组、传感器组、控制器组、后台监控中心五个部分组成。路侧单元由WIFI通信模块，差分定位RTK，以及V2X控制器组成。车载单元由天线、人机界面HMI、天线组成。

5.1 感知单元

感知模块由各类传感器组成，有微波雷达检测器、视频检测器、地磁传感器等。

微波雷达检测器主要用于检测试验场内的各种非机动车物体的运动轨迹，例如意外闯入试验场的行人和动物，以及从车上掉落下的异物等等。

视频检测器是微波雷达检测器功能的补充，在微波雷达检测器探测到不明物体的情况下，可以通过视频检测器判断物体的类别。

地磁传感器主要用于判断停车场中车位的占用情况。

5.2 信号传输单元

该系统同时利用无线技术和有线技术完成信号传输。路侧单元、传感器等设备通过光纤与中心服务器相连。

在车载终端方面，由于车辆的特性，传输主要采用无线的方式。分为蜂窝通信和点对点通信两种。蜂窝通信，如4G、5G等，主要承担车辆实时定位数据回传服务器的任务。点对点通信，如LTE-V和DSRC等，则主要负责车与车、车与路侧设备之间的通信，完成车辆碰撞预警、故障车辆预警、道路施工预警等业务。

WIFI则用于实现与移动调度终端的连接，方便管理员随时随地的了解和掌控场地中的情况。

5.3 展示与决策单元

该单元主要用于展示车辆的行驶轨迹、车与控制中心的交互信息、以及电子围栏信息。在车载终端上配备HMI用户操控界面，可以实时的接收控制中心的调度信息和预警信息。控制中心可以通过大屏幕，实时监视场地内各车辆的运动轨迹，并可随时获取车辆的名称、厂家、任务类别等信息。

6 应用效果

利用高精定位、V2X、4G、B/S等技术，完成试验场管理系统的开发。方便快捷的预约系统，提高客户的使用体验。场地可视化系统，方便管理人员对场地进行监控。车载单元的应用，随时提醒测试人员可能面临的危险，并方便与管理人员沟通，接受调度指令。该系统的投入使用后，试验场的安全、效率、客户体验等方面，都得到了显著的提高。

7 结束语

该系统在一定程度上解决了试验场管理过程中出现的安全、效率、用户体验等问题，初步完成了试验场的信息化和智能化改造。但是，在运行的过程中，还出现了一系列待解决的问题，例如，如何在高温情况下保障车载设备电池的安全，如何对快速方便的安装和拆卸车载设备等等，这些问题值得在后续的研究中完善和解决。

参考文献：

[1]高峰.走近汽车试验场 欧洲四国汽车试验场简介[J].世界汽车，2007（01）：84-85.

[2]赵颖，孙华锋，薛海彬.浅谈冬季试验场[J].城市建设理论研究，2014（13）.

[3]邹鑫，汪铸，周贵阳.汽车试验场道路管理系统的设计与应用[J].信息技术，2010，34（01）：101-103.

[4]仲跻炜，陈大吾，朱峰.基于北斗高精度定位和车道级高精度地图的车辆监控平台设计与试验[J].全球定位系统，2015.

[5]曹增良，陈新，陈效华.V2X系统应用中多场景融合及预警优先级浅析[J].北京汽车，2017（06）：30-31+36+44.

[6]刘天洋，余卓平，熊璐，等.智能网联汽车试验场发展现状与建设建议[J].汽车技术，2017（01）.

[7]贺文.高精地图：自动驾驶商业化的“水电煤”[J].IT经理世界，2017（14）：36-37.

[8]虞明，翟羽健，方涛，等.基于DGPS和地图匹配的试验场汽车可靠性试验监控管理系统[J].汽车技术，2003（03）：24-27.